1.1. Некаталитический процесс с использованием аммиака

Метод основан на восстановлении NО до N₂ и Н₂О в присутствии кислорода и вводимого восстановителя – аммиака (NН₃) и предназначен для очистки отходящих газов систем сжигания от оксидов азота. Процесс описывается следующими уравнениями:

NH₄NO₂  N₂ + 2Н₂О, (121)

4NН₃ +6NО  5N₂ + 6Н₂О. (122)

Первая реакция преобладает при температуре газового потока в интервале 880–1000 ^оС. Начиная с 1100 ^оС вклад реакции становится существенным и наблюдается нежелательное образование NО. Таким образом, процесс восстановления очень чувствителен к температуре и наиболее эффективен в достаточно узком температурном интервале 970  50 ^оС.

Степень восстановления оксидов азота определяется следующими факторами:

1. Тип топки, характеристики топлива.

2. Время пребывания газовой смеси в области оптимальной температуры в процессе движения потока.

3. Распределение и температуры в топке.

4. Отношение NН₃ /NО_x и концентрация NО_x.

5. Перемешивание в потоке.

Поскольку данный метод очистки топочных газов находится в стадии развития, необходимо отметить ряд недостатков, нерешенных вопросов и факторов, позволяющих в будущем его усовершенствовать.

1. Необходимо очень точно устанавливать место ввода аммиака в топочный газ, поскольку процесс восстановления NО аммиаком эффективно протекает в узком температурном интервале.

2. Строгие требования к процессу восстановления и зависи-мость температуры потока от загрузки и его калорийности могут ограничивать мощность сжигающего устройства.

3. Выброс в атмосферу аммиака (обычно не выше 50 млн^-1) и других побочных продуктов.

4. При сжигании высокосернистых нефтей или углей тепло-обменник котла может забиваться бисульфатом аммония.

5. Стоимость очистки может превысить затраты на усовер-шенствование сжигающего устройства.

1.2. Метод селективного каталитического восстановления (скв)

Селективное каталитическое восстановление основано на реакции восстановления оксидов азота аммиаком на поверхности гетерогенного катализатора в присутствии кислорода. Термин «селективный» в данном случае отражает предпочтительное протекание каталитической реакции аммиака с оксидами азота по сравнению с кислородом. В то же время кислород является реагентом в каталитической реакции. Метод СКВ применим в первую очередь к топочным газам в условиях полного сгорания – содержание кислорода в них более 1 % и отходящий газ подвергается химической реакции в окислительных условиях. Ранее описанный процесс некаталитического восстановления (НКВ) применим к топочным газам с высоким процентным содержанием исходного топлива, т. е. когда обеспе-чиваются восстанавливающие свойства газового потока. Процесс СКВ может быть представлен следующими брутто-уравнениями:

2NH₃ + 2NO +1/2O₂  2N₂ +3H₂O, (123)

2NH₃ + NO₂ +1/2O₂  3/2N₂ +3H₂O. (124)

Реакция является основной, так как оксид азота NO составляет обычно около 95% в сумме оксидов азота. В соответствии с этими уравнениями и с теоретической точки зрения достаточно стехиометрического количества аммиака относительно оксидов азота для перевода их в экономически чистые продукты – молекулярный азот (N₂) и H₂O. При мольном отношении NH₃ : NО_х = 1:1 восстанавливается 80–90 % оксидов азота, и в отходящем газе содержание аммиака не превышает 20 млн ^-1. Метод СКВ используется в широком масштабе для очистки газов городских и промышленных котельных, работающих на газе и нефти.

Эффективность метода СКВ определяется параметрами:

1) система сжигания – вид топлива;

2) состав катализатора;

3) активность катализатора, его селективность и время действия;

4) форма катализатора, конфигурация каталитического реактора;

5) отношение NH₃ : NО_х и концентрация NО_х;

6) температура каталитического реактора;

7) скорость газового потока.

Наиболее эффективно каталитическое восстановление происходит в области 300–450 ^оС.

Большинство катализаторов формируется на основе диоксида титана (TiO₂) и пентоксида ванадия (V₂O₅). Диоксид титана – удобный носитель и не отравляется SO₃. Пентоксид ванадия промотирует реакцию взаимодействия аммиака и оксидов азота и мало чувствителен к действию SO_х.

Основной недостаток метода СКВ – образование и осаждение на стенках технологического оборудования твердого сульфата аммония и расплава бисульфата аммония при выходе из каталитического реактора. Эти соединения – (NH₄)₂SO₄ и NH₄НSO₄, образуются по реакции вводимого аммиака с SO₃, который получается при сгорании высокосернистых топлив. Особенно трудно избежать осаждения солей в воздушном теплообменнике.

Другими проблемами являются: выбросы в атмосферу аммиака и его соединений, а также иных нежелательных продуктов, например SO₃; необходимость использования дополнительных устройств для очистки потока: блок обессеривания и др.; отсутствие надежной аппаратуры для определения количества аммиака в отходящем газе; чувствительность каталитического процесса к температурному режиму и связанные с этим ограничения в загрузке и топлива; замена и дезактивация катализатора удобными с точки зрения охраны окружающей среды методами; надежность устройств очистки и их экономическая целесообразность.

Несмотря на это, метод СКВ успешно используют для очистки газов котельных, работающих на нефти и газе; в стадии проектирования находится ряд сжигающих устройств на угле. При необходимости восстановить 80 % или более оксидов азота в топочном газе метод СКВ является единственно возможным. Кроме того, метод предполагает совершенствование; его можно успешно сочетать с методами совершенствования системы сжигания для снижения количества оксидов азота.